導(dǎo)讀：

許多最基本的問題是量子力學(xué)回答的。例如：為什么原子中的電子不落到原子核上？為什么原子能形成分子？為什么有些物質(zhì)能導(dǎo)電，有些物質(zhì)不導(dǎo)電？現(xiàn)代社會的技術(shù)成就，幾乎全都與量子力學(xué)有關(guān)。量子力學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科——量子信息，把量子變成了輿論熱詞。

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你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

二、無處不在的量子力學(xué)

量子力學(xué)和相對論是二十世紀(jì)的兩大科學(xué)革命，對人類的世界觀產(chǎn)生了強烈的震撼。但論公眾中的知名度，量子力學(xué)似乎比相對論低得多。原因可能在于，相對論主要是由愛因斯坦一個人創(chuàng)立的，孤膽英雄的形象易于記憶和傳播，而量子力學(xué)的主要貢獻(xiàn)者有好幾位，沒有一個獨一無二的代言人。愛因斯坦和相對論稱得上婦孺皆知，而聽說過量子力學(xué)中的“薛定諤的貓”、“海森堡測不準(zhǔn)原理”這些詞的人，已經(jīng)算是科學(xué)發(fā)燒友了。

但是，大多數(shù)人不知道的是，論應(yīng)用的范圍和研究者的人數(shù)，量子力學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相對論。也就是說，相對論是一個名氣較大而用得較少的理論，量子力學(xué)是一個名氣較小而用得較多的理論。為什么會這樣？看看這兩種理論發(fā)揮作用的條件，就明白了。

相對論在物體以接近光速運動時和強引力場條件下具有基礎(chǔ)的重要性。可是日常生活中有多少機會遇到這些情況呢？大多數(shù)情況下，我們研究的對象還是在以低速運動，地球的引力場也不強。所以目前相對論的應(yīng)用，局限在宇宙學(xué)、重元素的化學(xué)、原子鐘、全球定位系統(tǒng)等少數(shù)領(lǐng)域。

而另外一邊，描述微觀世界必須用量子力學(xué)，宏觀物質(zhì)的性質(zhì)又是由其微觀結(jié)構(gòu)決定的。因此，不僅研究原子、分子、激光這些微觀對象時必須用量子力學(xué)，而且研究宏觀物質(zhì)的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、硬度、晶體結(jié)構(gòu)、相變等性質(zhì)時也必須用量子力學(xué)。

許多最基本的問題，是量子力學(xué)出現(xiàn)后才能回答的。例如：

為什么原子能保持穩(wěn)定，例如氫原子中的電子不落到原子核上？（因為氫原子中電子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就變成負(fù)無窮，低于這個值了。）

原子模型

為什么原子能形成分子，例如兩個氫原子H聚成一個氫氣分子H2？

為什么原子有不同的組合方式，例如碳原子能組合成石墨、金剛石、足球烯、碳納米管、石墨烯？為什么食鹽NaCl會形成離子晶體？

為什么有些物質(zhì)很穩(wěn)定，而有些物質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？

為什么有些物質(zhì)例如銅能導(dǎo)電，有些物質(zhì)例如塑料不導(dǎo)電？為什么有些物質(zhì)例如硅是半導(dǎo)體？為什么有些物質(zhì)例如水銀在低溫下變成超導(dǎo)體？

為什么會有相變，例如水在0攝氏度以下結(jié)冰，0-100攝氏度之間是液體，100攝氏度以上氣化？

為什么改變鋼鐵的組成，能制造出各種特種鋼？

為什么激光器和發(fā)光二極管能夠發(fā)光？

為什么化學(xué)家能合成比大自然原有物質(zhì)種類多得多的新物質(zhì)？

為什么通過觀察宇宙中的光譜線能知道遠(yuǎn)處星球的元素組成？……

現(xiàn)代社會碩果累累的技術(shù)成就，幾乎全都與量子力學(xué)有關(guān)。你打開一個電器，導(dǎo)電性是由量子力學(xué)解釋的，電源、芯片、存儲器、顯示器的工作原理是基于量子力學(xué)的。走進(jìn)一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質(zhì)是由量子力學(xué)決定的。登上飛機、輪船、汽車，燃料的燃燒過程是由量子力學(xué)決定的。研制新的化學(xué)工藝、新材料、新藥，都離不開量子力學(xué)。

可以這么說：與其問量子力學(xué)能用來干什么，不如問它不能干什么！

以上是就應(yīng)用的范圍比較量子力學(xué)和相對論。另一個觀察的角度，是研究和學(xué)習(xí)的人數(shù)。現(xiàn)在所有的物理專業(yè)學(xué)生和許多相關(guān)專業(yè)（尤其是化學(xué)）的學(xué)生，都要學(xué)習(xí)量子力學(xué)，而學(xué)習(xí)廣義相對論的只有理論物理、天文學(xué)等專業(yè)的學(xué)生（學(xué)習(xí)狹義相對論的學(xué)生還是很多的）。

量子力學(xué)的研究活躍度也大大高于相對論。在媒體報道中你會發(fā)現(xiàn)，量子領(lǐng)域日新月異，相對論領(lǐng)域的大新聞卻是驗證愛因斯坦100年前預(yù)測的引力波！

雙黑洞合并產(chǎn)生引力波

三、方興未艾的量子信息

既然量子力學(xué)出現(xiàn)已經(jīng)超過了一個世紀(jì)，為什么最近在媒體上變得如此火熱？回答是：量子力學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科——量子信息。

這兩門學(xué)科為什么可以交叉起來？因為對于信息科學(xué)來說，量子力學(xué)是一種可資利用的數(shù)學(xué)框架。量子信息的目的，就是利用量子力學(xué)的特性，實現(xiàn)經(jīng)典信息科學(xué)中實現(xiàn)不了的功能，例如永遠(yuǎn)不會被破解的保密方法（就是后面要解釋的“量子密碼術(shù)”）、科幻電影中的“傳送術(shù)”（是的，傳送術(shù)原則上是可以實現(xiàn)的，它的專業(yè)名稱叫做“量子隱形傳態(tài)”）。

正如經(jīng)典的信息科學(xué)包括通信和計算兩大主題，量子信息的研究內(nèi)容也可以分成兩大塊：量子通信和量子計算。

量子信息學(xué)科內(nèi)容

量子信息的大發(fā)展，把量子變成了輿論熱詞。在科學(xué)界內(nèi)部其實很少用“量子科技”這個說法，因為如前所述，現(xiàn)代社會的所有技術(shù)成果都離不開量子力學(xué)，哪里有不“量子”的科技呢？科學(xué)家們更喜歡用有明確定義的“量子力學(xué)”和“量子信息”等詞匯。你在媒體上看到“量子科技”的時候，指的往往就是量子信息。

（未完待續(xù)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長。